JP7410377B2 - How to detect signs of drill damage - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 平成31年2月28日 パンフレットを配布し、パンフレットの内容の説明を行った。Application of
本発明は、加工機でドリル穿孔する際にドリルの破損の予兆を検出するドリル破損の予兆検出方法に関する。 The present invention relates to a method for detecting signs of drill breakage, which detects signs of drill breakage when drilling with a processing machine.
非常に硬質なタングステンカーバイド製の加工物に先端がダイヤモンドコーティングされたタングステンカーバイド製のドリルで孔開け加工する際に、ドリルの平均寿命よりも安全をみて、一定の孔数を開けるとドリルを交換していた。タングステンカーバイド製のドリルは高価であるため、寿命一杯まで使いたいとの要求がある。 When drilling holes in extremely hard tungsten carbide workpieces using a tungsten carbide drill with a diamond-coated tip, the drill is replaced after a certain number of holes have been drilled, considering safety rather than the average lifespan of the drill. Was. Since drills made of tungsten carbide are expensive, there is a demand for using them to the fullest lifespan.
特許文献1では、異常音をセンサで捉え刃具の交換時期基準を判断する異常検知方法が開示されている。特許文献2には、切削刃の軸のX、Y方向の振動を計測する異常予兆検知方法が開示されている。 Patent Document 1 discloses an abnormality detection method that detects abnormal sounds with a sensor and determines the replacement timing standard for a cutting tool. Patent Document 2 discloses an abnormality sign detection method that measures vibrations of the axis of a cutting blade in the X and Y directions.
特許文献1では、直径が1mm程度の細いドリルの場合、音センサでドリルの破損の検知は難しいと考えられる。特許文献2のように、ドリルの振動だけではワークが関与する破壊モードの予兆検出は難しいと推測される。 In Patent Document 1, in the case of a thin drill with a diameter of about 1 mm, it is considered difficult to detect damage to the drill using a sound sensor. As in Patent Document 2, it is presumed that it is difficult to detect signs of a fracture mode involving a workpiece only by vibration of the drill.
本発明の目的は、ドリルの破損の予兆を確実に検出できるドリル破損の予兆検出方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a method for detecting signs of drill breakage that can reliably detect signs of drill breakage.
本発明に係る加工物へドリル穿孔する際にドリルの破損の予兆を検出するドリル破損の予兆検出方法は、加工物の振動を検出し、前記振動を周波数解析し、所定の周波数成分の振幅が予兆の検出されなかったドリルでの値より所定閾値以上変化した際にドリルの破損の予兆検出を出力することを特徴とする。 A drill failure sign detection method for detecting signs of drill failure when drilling into a workpiece according to the present invention detects vibration of the workpiece, performs frequency analysis of the vibration, and detects the amplitude of a predetermined frequency component. The present invention is characterized in that a drill failure sign detection is output when the value changes by a predetermined threshold value or more from the value of a drill for which no sign was detected.
本発明のドリル破損の予兆検出方法は、加工物の振動を検出し、振動を周波数解析し、所定の周波数成分の振幅が予兆の検出されなかったドリルでの値より所定閾値以上変化した際にドリルの破損の予兆検出を出力する。加工物の振動からドリルの破損の予兆を検出するため、ドリル径が細くても検出でき、また、加工物が関与する破壊モードの予兆も適切に検出することができるため、ドリルの破損の予兆を確実に検出できる。 The drill failure sign detection method of the present invention detects the vibration of a workpiece, performs frequency analysis of the vibration, and detects when the amplitude of a predetermined frequency component changes by a predetermined threshold or more from the value of a drill in which no sign was detected. Outputs detection of signs of drill damage. Since signs of drill breakage are detected from the vibration of the workpiece, it can be detected even if the drill diameter is small, and signs of failure modes involving the workpiece can also be appropriately detected, so signs of drill breakage can be detected. can be detected reliably.
[第1実施形態]
以下、図面に基づいて第1実施形態に係るドリル破損の予兆検出方法が説明される。図1(A)は、第1実施形態に係るドリル破損の予兆検出方法のシステムの説明図である。
加工機10は、3相交流により駆動されるスピンドルモータ(主軸モータ)30と、コラム12上に設けられたZ軸モータ40により上下方向に移動可能であって、コラム12の前面に取り付けられた主軸ユニット20と、主軸ユニット20へ回転自在に保持されスピンドルモータ30により回転駆動される主軸18と、この主軸18の先端に装着されたドリルTとを備える。加工機10には、更に、ドリルを交換するドリル交換器50が取り付けられている。図1(B)に示されるように、ドリルTは、X-Y軸上に移動する移動テーブル14に一対のクランプ16A、16Bで固定された加工物Wに対して孔開け加工するものである。クランプ16Bには、加工軸Z方向への振動を検出する加速度センサ52が取り付けられている。加速度センサ52は、ドリル破損の予兆検出装置100に接続されている。
[First embodiment]
Hereinafter, a method for detecting signs of drill damage according to the first embodiment will be explained based on the drawings. FIG. 1(A) is an explanatory diagram of a system of a method for detecting signs of drill breakage according to the first embodiment.
The
スピンドルモータ30を駆動する3相交流電源34には電流センサ32が取り付けられている。Z軸モータ40を駆動する3相交流電源44には電流センサ42が取り付けられている。電流センサ32、電流センサ42はドリル破損の予兆検出装置100に接続されている。ドリル破損の予兆検出装置100はコンピュータ、マイコンボード等の演算装置から構成される。ドリル破損の予兆検出装置100には、第1実施形態のドリル破損の予兆検出方法を実行するプログラムが保持されている。ドリル破損の予兆検出装置がマイコンボードから成る場合、ドリル破損の予兆検出装置を加工機10側のシーケンサー等の制御装置に取り付けることもできる。加速度センサ52で加工物Wの振動を測定し、ドリル破損の予兆検出装置100に出力する。電流センサ32でスピンドルモータ30の負荷電流を測定し、ドリル破損の予兆検出装置100側へ出力する。電流センサ42でZ軸モータ40の負荷電流を測定し、ドリル破損の予兆検出装置100側へ出力する。ドリル破損の予兆検出装置100で、加工物Wの振動、スピンドルモータ30の負荷電流、Z軸モータ40の負荷電流に基づきドリル破損の予兆検出を行う。ここでは、モータ負荷の検出に、検出が容易な負荷電流を用いるが、負荷電力を検出することで、検出精度を高めることもできる。
A
加工物Wは、タングステンカーバイド製のDPF(ディーゼル・パティキュレート・フィルタ)製造用の押出金型である。ドリルTは先端がダイヤモンドコーティングされたタングステンカーバイド製の直径1.2mmのドリルである。押出金型は、図1(A)に示す加工機10で、一方の面にセラミック材料が圧送されるマトリクス状の非貫通孔が先ず形成される。そして、次の工程で、マトリクス状の非貫通孔の反対面に、ハニカム状の開口を有するセラミックス材を押し出すための上記非貫通孔と連通するハニカム整形スリットが形成される。
The workpiece W is an extrusion mold for manufacturing a DPF (diesel particulate filter) made of tungsten carbide. Drill T is a 1.2 mm diameter drill made of tungsten carbide with a diamond-coated tip. The extrusion mold is first formed with a matrix-like non-through hole on one surface of the mold using a
第1実施形態のドリル破損の予兆検出方法の検出原理について説明がなされる。ドリルの切れが悪くなると、先端の食い付きが悪くなり、加工物側に低い周波数の振動が出ることが分かった。一方、ドリルが疲労すると、ドリルが撓んで加工物に対して横当たりし、高い周波数の振動が出ることが分かった。この低い周波数の振動と、高い周波数の振動とを検出することで、ドリル破損の予兆を検出できることが分かった。 The detection principle of the method for detecting signs of drill breakage according to the first embodiment will be explained. It was found that when the drill becomes dull, the tip becomes less likely to bite, and low-frequency vibrations are generated on the workpiece side. On the other hand, it was found that when a drill becomes fatigued, it bends and hits the workpiece sideways, producing high-frequency vibrations. It has been found that by detecting these low frequency vibrations and high frequency vibrations, it is possible to detect signs of drill damage.
更に、モータ電流側から見て、ドリルが折れるモードには、Z軸方向への加工中に負荷により破損するZ軸モードと、ドリル回転方向への負荷により破損するスピンドル軸モードとがあることが判明した。Z軸モードは、先端がダイヤモンドコーティングされたタングステンカーバイド製のドリルで、ダイヤモンドコーティングが薄くなって切削力が低下し、切削力が押し込み力(Z軸の送り力)を下回ることで発生しているのでは無いかと考えられる。スピンドル軸モードは、ドリル全体が摩耗若しくは金属疲労し、ドリル回転中にねじ込むさいにねじ切れていると考えられる。そして、Z軸モードの破損は、Z軸モータ40の負荷電流の増加で予兆を検出できることが分かった。また、スピンドル軸モードの破損は、スピンドルモータ30の負荷電流の増加で予兆を検出できることが分かった。この二つを併用することで、Z軸モードとスピンドル軸モードとの破損予兆を検出できることが分かった。
Furthermore, when viewed from the motor current side, there are two modes in which a drill breaks: a Z-axis mode in which the drill breaks due to a load during machining in the Z-axis direction, and a spindle axis mode in which it breaks due to a load in the drill rotation direction. found. Z-axis mode occurs when the tip of a tungsten carbide drill is coated with diamond, and the cutting force decreases as the diamond coating becomes thinner, causing the cutting force to fall below the pushing force (Z-axis feed force). It is thought that this is not the case. The spindle shaft mode is considered to be caused by wear or metal fatigue of the entire drill and the thread being broken when screwed in while the drill is rotating. It has also been found that a sign of damage in the Z-axis mode can be detected by an increase in the load current of the Z-
第1実施形態では、上述された加工物側の低い周波数の振動、高い周波数の振動に、更に、モータ電流の二つを併用することで、ドリルの破損の予兆を確実に検出できる。第1実施形態では、加工物の振動、モータ電流でドリルの破損の予兆を検出しているが、加工物の振動のみでドリルの破損の予兆を実用上十分なレベルで検出できる。 In the first embodiment, signs of damage to the drill can be reliably detected by using the motor current in addition to the low-frequency vibration and high-frequency vibration on the workpiece side described above. In the first embodiment, signs of drill breakage are detected using the vibration of the workpiece and motor current, but signs of drill breakage can be detected at a practically sufficient level only by the vibration of the workpiece.
第1実施形態のドリル破損の予兆検出方法では、モータの電流を検出し、ドリルでの1孔加工時間の所定時間内で、時間窓をずらして実効値の平均値を計算し、計算した複数の実効値の平均値から最小値を電流が予兆の検出されなかったドリルでの値より所定閾値以上変化したかの判断に用いる。このため、ノイズの影響を排除し、正確にドリル破損の予兆を検出することができる。 In the method for detecting signs of drill damage according to the first embodiment, the current of the motor is detected, and the average value of the effective values is calculated by shifting the time window within a predetermined time of one hole machining time with the drill. The minimum value from the average value of the effective values is used to determine whether the current has changed by a predetermined threshold value or more from the value in the drill where no sign was detected. Therefore, it is possible to eliminate the influence of noise and accurately detect signs of drill damage.
図2は、第1実施形態のドリル破損の予兆検出方法のフローチャートである。
ドリル破損の予兆検出装置100は、加速度センサ52から加工軸Z方向への振動値を2KHzのサンプリングで取得し(S12)、短時間フーリエ変換を用いて周波数解析を行い(S14)、10Hzから200Hzの周波数毎の振動値(振幅値)を求める。ドリル破損の予兆検出装置100は、低周波域(例えば、10Hz~90Hz)において所定閾値以上前回予兆の検出されなかったドリルでの振動値よりも大きくなったかにより値が大きく変化したか判断する(S16)。閾値としては、予兆の検出されなかったドリルでの振幅値の1.2~2倍の値を採用することができる。値の変化が小さい場合(S16:No)、更に、ドリル破損の予兆検出装置100は、高周波域(例えば、110Hz~190Hz)において所定閾値以上前回の振動値よりも大きくなったかにより値が大きく変化したか判断する(S18)。大きく変化しなかった場合、処理はステップ22に進む。他方、低周波域に置いて振動(振幅)が大きくなった場合(16:Yes)、高周波域に置いて振動(振幅)が大きくなった場合(18:Yes)、予兆検知通知が行われる(S30)。ここでは、ドリル破損の予兆検出装置100がドリル交換器50に対してドリルの交換を指示する。
FIG. 2 is a flowchart of the method for detecting signs of drill damage according to the first embodiment.
The drill damage
振動からドリル破損の予兆されない場合(S18:No)、ドリル破損の予兆検出装置100は、モータ電流からドリル破損の予兆を検出する。先ず、ドリル破損の予兆検出装置100は、Z軸電流を取得し(S22)、1孔加工時間(38秒)の所定時間(4秒から12秒の間)、3秒の時間窓をずらして実効値の平均値を計算し(S24)、計算した複数の実効値の平均値から最小値を採用する(S26)。ドリル破損の予兆検出装置100は、所定閾値以上前回予兆の検出されなかったドリルでの実効値の平均値の最小値よりも大きくなったかにより値が大きく変化したか判断する。閾値としては、予兆の検出されなかったドリルでの実効値の平均値の最小値の1.2~2倍の値を採用することができる。値の変化が小さい場合(S28:No)処理はステップ32に進む。他方、Z軸電流の値の変化が大きい場合(S28:Yes)、予兆検知通知が行われる(S30)。ここでは、ドリル破損の予兆検出装置100がドリル交換器50に対してドリルの交換を指示する。
If there is no sign of drill breakage from the vibration (S18: No), the drill breakage
ステップ32で、ドリル破損の予兆検出装置100は、スピンドル軸電流を取得し、1孔加工時間(38秒)の所定時間(22秒から30秒の間)、3秒の時間窓をずらして実効値の平均値を計算し(S34)、計算した複数の実効値の平均値から最小値を採用する(S36)。ドリル破損の予兆検出装置100は、所定閾値以上前回予兆の検出されなかったドリルでの実効値の平均値の最小値よりも大きくなったかにより値が大きく変化したか判断する。閾値としては、予兆の検出されなかったドリルでの実効値の平均値の最小値の1.2~2倍の値を採用することができる。値の変化が小さい場合(S38:No)処理はステップ42に進み、加工終了まで処理が継続される。他方、スピンドル軸電流の値の変化が大きい場合(S38:Yes)、予兆検知通知が行われる(S30)。ここでは、ドリル破損の予兆検出装置100がドリル交換器50に対してドリルの交換を指示する。
In
[第1実施形態の改変例]
図1(C)は、第1実施形態の改変例に係るドリル破損の予兆検出方法のシステムの説明図である。
ドリルTは、X-Y軸上に移動する移動テーブル14に一対のクランプ16A、16Bで固定された加工物Wに対して孔開け加工するものである。第1実施形態の改変例では、一対のクランプ16A、16Bのそれぞれに加速度センサ52A、52Bが設けられ、2つの加速度センサ52A、52Bからドリル破損の予兆検出装置に出力が送られる。第1実施形態の改変例のドリル破損の予兆検出装置は2つの加速度センサ52A、52Bからの出力を合算して予兆検知を行う。このため、ドリルTが一方のセンサから離れた位置を加工しても、加工位置は他方のセンサに近づくので、加工位置により予兆精度が影響されることが無い。
[Modification example of the first embodiment]
FIG. 1(C) is an explanatory diagram of a system of a method for detecting signs of drill breakage according to a modified example of the first embodiment.
The drill T is used to drill a hole in a workpiece W that is fixed to a movable table 14 that moves on the XY axis with a pair of
[第2実施形態]
第2実施形態のドリル破損の予兆検出装置100の機械的構成は、図1(A)に示す第1実施形態と同様である。
図3は、第2実施形態のドリル破損の予兆検出方法のフローチャートである。
ドリル破損の予兆検出装置100は、加速度センサ52から加工軸Z方向への振動値を2KHzのサンプリングで取得し(S12)、短時間フーリエ変換を用いて周波数解析を行い(S14)、図5~図8に示されるような10Hz~200Hzの周波数毎の振動値の画像を形成する(S46)。そして、前回加工した際の画像中の振動値波形と、今回の画像中の振動値波形を比較し、差分を数値化し、前々回の振動値波形と前回の振動値波形の差分値と比較して、1.2~3倍以上かに基づき、画像パターンが大きく変化しているかを判断する(S48)。画像パターンが大きく変化していない場合(S48:No)、ステップ42の処理に移行する。画像パターンが大きく変化している場合(S48:Yes)、予兆検知通知が行われる(S30)。ここでは、ドリル破損の予兆検出装置100がドリル交換器50に対してドリルの交換を指示する。
[Second embodiment]
The mechanical configuration of the drill failure
FIG. 3 is a flowchart of a drill failure sign detection method according to the second embodiment.
The drill failure
図4は、第2実施形態のドリル破損の予兆検出方法の加速度センサから信号補正のフローチャートである。
ドリル破損の予兆検出装置100は、ドリルの加工位置を取得し(S52)、加速度センサ52から加工位置までの距離を算出し(S54)、距離に応じた振動の減衰量を補正する補正値を算出し、加速度センサから信号補正を補正する(S58)。第2実施形態のドリル破損の予兆検出方法では、加工位置により予兆精度が影響されることが無い。
FIG. 4 is a flowchart of signal correction from the acceleration sensor in the method for detecting signs of drill breakage according to the second embodiment.
The drill damage
加工物振動とドリル破損との試験結果について、図5-図8の周波数解析画像が参照され、説明がなされる。
図5、図6は、第1回目試験時にドリル破損の生じた孔数351前後の周波数解析画像を示す。ここで、2KHzでサンプリングがなされ、縦軸は、10Hz~200の周波数、横軸は1孔形成の加工時間を表し、色の変化は振動の大きさを表す。
The test results for workpiece vibration and drill damage will be explained with reference to the frequency analysis images of FIGS. 5 to 8.
FIGS. 5 and 6 show frequency analysis images of around 351 holes in which drill damage occurred during the first test. Here, sampling is performed at 2 KHz, the vertical axis represents the frequency from 10 Hz to 200, the horizontal axis represents the machining time for forming one hole, and the change in color represents the magnitude of vibration.
351目の孔の画像が図6中のB-6である。350孔の画像がB-5、349孔の画像がB-4、348孔の画像が図5中のB-3、347孔の画像がB-2、346孔の画像がB-1である。345目の孔の画像が図6中のA-6である。344孔の画像がA-5、343孔の画像がA-4、342孔の画像が図5中のA-3、341孔の画像がA-2、340孔の画像がA-1である。352目の孔の画像が図5中のC-1である。353孔の画像がC-2、354孔の画像がC-3、355孔の画像が図6中のC-4、356孔の画像がC-5、357孔の画像がC-6である。 The image of the 351st hole is B-6 in FIG. The image of 350 holes is B-5, the image of 349 holes is B-4, the image of 348 holes is B-3 in Figure 5, the image of 347 holes is B-2, and the image of 346 holes is B-1. . The image of the 345th eye hole is A-6 in FIG. The image of the 344th hole is A-5, the image of the 343rd hole is A-4, the image of the 342nd hole is A-3 in Figure 5, the image of the 341st hole is A-2, and the image of the 340th hole is A-1. . The image of the 352nd hole is C-1 in FIG. The image of hole 353 is C-2, the image of hole 354 is C-3, the image of hole 355 is C-4 in Figure 6, the image of hole 356 is C-5, and the image of hole 357 is C-6. .
ドリル破損の生じた孔数351(B-6)の一つ前の350孔(B-5)において、特に100Hz以下での振動が大きくなっていることが分かる。 It can be seen that in the 350th hole (B-5), which is one hole before the 351st hole (B-6) where drill damage occurred, the vibration is especially large at 100 Hz or less.
図7、図8は、第2回目試験時にドリル破損の生じた孔数811前後の周波数解析画像を示す。 FIGS. 7 and 8 show frequency analysis images around 811 holes in which drill damage occurred during the second test.
811目の孔の画像が図8中のE-4である。810孔の画像が図7中のE-3、809孔の画像がE-2、808孔の画像がE-1である。307目の孔の画像が図6中のD-6である。806孔の画像がD-5、805孔の画像がD-4、804孔の画像が図7中のD-3、803孔の画像がD-2、802孔の画像がD-1である。812孔の画像が図8中のE-5、813孔の画像がE-6、814目の孔の画像が図7中のF-1である。815孔の画像がF-2、816孔の画像がF-3、817孔の画像が図8中のF-4、818孔の画像がF-5、819孔の画像がF-6である。 The image of the 811th hole is E-4 in FIG. The image of hole 810 is E-3 in FIG. 7, the image of hole 809 is E-2, and the image of hole 808 is E-1. The image of the 307th eye hole is D-6 in FIG. The image of hole 806 is D-5, the image of hole 805 is D-4, the image of hole 804 is D-3 in Figure 7, the image of hole 803 is D-2, and the image of hole 802 is D-1. . The image of the 812th hole is E-5 in FIG. 8, the image of the 813rd hole is E-6, and the image of the 814th hole is F-1 in FIG. The image of hole 815 is F-2, the image of hole 816 is F-3, the image of hole 817 is F-4 in Figure 8, the image of hole 818 is F-5, and the image of hole 819 is F-6. .
ドリル破損の生じた孔数811(E-4)の3つ前の808孔(E-1)、2つ前809孔(E-2)、一つ前の810孔(E-3)において、30Hz以下、及び、100Hz-190Hzでの振動(振幅)が大きくなっていることが分かる。 In the 808 hole (E-1), the 808 hole (E-1), the 809 hole (E-2), and the 810 hole (E-3), which is the third hole before the hole number 811 (E-4) where drill damage occurred, It can be seen that the vibration (amplitude) is large below 30 Hz and between 100 Hz and 190 Hz.
上述された試験結果から、加工物の低い周波数の振動と高い周波数の振動とを検出することで、或いは、画像パターンの変化から、ドリル破損の予兆を検出できることが判明した。 From the test results described above, it has been found that a sign of drill damage can be detected by detecting low-frequency vibrations and high-frequency vibrations of the workpiece or from changes in the image pattern.
10 :加工機
14 :移動テーブル
16 :クランプ
30 :スピンドルモータ
32 :電流センサ
40 :Z軸モータ
42 :電流センサ
50 :ドリル交換器
100 :予兆検出装置
T :ドリル
W :加工物
10: Processing machine 14: Moving table 16: Clamp 30: Spindle motor 32: Current sensor 40: Z-axis motor 42: Current sensor 50: Drill changer 100: Sign detection device T: Drill W: Workpiece
Claims (3)
更に、ドリルを駆動する主軸モータの電流、ドリルを加工物側へ送るZ軸モータの電流の少なくとも一方を検出し、
前記主軸モータの電流、Z軸モータの電流の少なくとも一方が予兆の検出されなかったドリルでの値より所定閾値以上変化した際にドリルの破損の予兆検出を出力することを特徴とするドリル破損の予兆検出方法。 The method for detecting signs of drill breakage according to claim 1 , comprising:
Furthermore, detecting at least one of the current of the main shaft motor that drives the drill and the current of the Z-axis motor that sends the drill to the workpiece side,
When at least one of the current of the main shaft motor and the current of the Z-axis motor changes by a predetermined threshold value or more from a value in a drill in which no signs were detected, a drill failure sign detection is output. Premonition detection method.
前記加工物の振動は、前記加速度センサによる前記ドリルの加工軸に沿った振動を検出することを特徴とするドリル破損の予兆検出方法。 The sign detection method according to claim 1 or claim 2 ,
A method for detecting signs of drill breakage, characterized in that the vibration of the workpiece is detected by the acceleration sensor along a machining axis of the drill.
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